МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(технический университет)

Реферат по дисциплине «Химия и экология»

Промышленные стоки тепловой энергетики

Студент: Ильин К. Ю.

Группа: ФП-4-96

Преподаватель: Уланова Л. Л.

МОСКВА 2000

1 Тепловые электрические станции и наша жизнь

Производство электроэнергии является необходимым средством для существования человечества. Трудно представить, что случилось бы, если хотя бы один день все человечество осталось без электричества: жизнь более половины человечества была бы полностью парализована.

Количество потребляемой энергии возрастает из года в год. Если в 1970 потребление электроэнергии составляло порядка 6,8 Гт у.т. (условного топлива[1] )/год то в 1997 порядка 15 Гт у.т./год а в 2020 прогнозируется 19 Гт у.т./год [2].

Атомная энергетика (5,9 % мирового производства электроэнергии в 1995 г.) испытывает жесточайший кризис, чему причиной технические трудности обеспечения безопасности АЭС, проблема захоронения отходов и отрицательная реакция общественности на аварию не Чернобыльской АЭС.

Гидроэнергетика (6,7 % в 1995 г.) так же переживает трудный период. Одна из главных проблем связана с затоплением земель при строительстве ГЭС. В развитых странах максимально возможная часть гидроэнергетического потенциала уже освоена, а в развивающихся на развитие не хватает капитала.

Возобновляемые источники энергии находятся лишь на пути к промышленному освоению, и в настоящее время их суммарный вклад в мировую энергетику составляет доли процента. Связано это прежде всего с большими затратами на производство оборудования.

Остальную долю в производство энергетики вносит тепловая энергетика. На ней мы и остановимся подробно. Согласно второму закону термодинамики при любом тепловом цикле нужно отдавать тепло, это касается и тепловых электрических
станций. ТЭС преобразуют энергию топлива, образующуюся при его горении, в электрическую; причем в процессе горения часть теплоты и продукты горения выбрасываются в окружающую среду. Если ТЭС работает на мазуте, то до горения его смешивают с паром и распыляют в горелках, где он не весь реагирует: так появляются замазученные стоки, которые сливаются в окружающую среду. Технология ТЭС требует очистки воды, причем используется
Н-катионирование и ОН-анионирование. При регенерации ионообменных фильтров стоки, содержащие CaSO₄ , MgSO₄ , NaCl и т.п., в окружающую среду. Все вышесказанное проиллюстрирует рис 1.

Рис 1

Теперь подробнее рассмотрим взаимодействие тепловых электростанций на воздух, воду и землю

2 Воздействие ТЭС на природные воды

Вода является важнейшей составляющей живого вещества, без которой невозможна жизнь на нашей планете. По выражению В. И. Вернацкого, вода стоит особняком в истории нашей планеты, но воде принадлежит особая роль в геологической истории земли. Вода является одним из факторов формирования физической и химической среды, климата и погоды на земле, возникновения жизни на ней.

Вода является обязательным компонентом практически всех технологических процессов. Вода является рабочим телом любой электростанции, на некоторых ТЭС вода отводит тепло, также ТЭС сбрасывают различные стоки в воду.

Воздействие тепловых электростанций на водные объекты осуществляется по двум направлениям: использование водных ресурсов и прямое воздействие ТЭС на качественное состояние водных объектов путем сброса в них сточных вод с повышенными по сравнению с природной водой концентрациями загрязняющих веществ.

В условиях ограниченности свободных водных ресурсов и ухудшения качественного состояния водных объектов при ужесточении требований к качеству воды оценка масштабов воздействия ТЭС на водные объекты становится одним из основных вопросов прогноза развития электроэнергетики.

3 Теплые воды

Для охлаждения различных аппаратов ТЭС применяется вода. Основное ее количество расходуется на охлаждение конденсаторов турбин. На конденсацию 1 тонны отработавшего в турбине пара приходится расходовать в зависимости от времени года 50 ¸ 60 тонн воды. На ТЭС мощностью 4000 МВт вырабатывается около 13000 т/ч пара, однако часть этого пара направляется в регенеративные подогреватели, а в конденсатор идет около 10000 т/ч пара. Для конденсации этого количества водяного пара в конденсаторы необходимо подавать до 500000 тонн охлаждающей воды в час. Температура этой воды повышается всего лишь на 8 ¸ 10 °С, но оказывается, что и такое, казалось бы незначительное повышение температуры уже отражается на всей экологической обстановке естественных водоемов. Сбрасывать эти воды непосредственно в реки и озера нельзя. Такой сброс приводит к разрастанию сине-зеленых водорослей, происходит значительное обеднение воды растворенным кислородом, погибают обитатели воды, не терпящие высоких температур и т.д.

Вследствие этого приходится применять способы, ослабляющие это “тепловое загрязнение” водоисточников, а во многих случаях и полностью отказываться от сброса теплых вод в реки. Если электростанция расположена на берегу мощной реки, то можно избежать последствий теплового загрязнения, применяя специальные смесительные устройства, распределяющие тепло на большую массу воды и снижающие тепловое воздействие. Можно также пользоваться различными температурами воды по глубине водоема или применять предварительное, т. е. перед сбросом, охлаждение теплых вод путем их разбрызгивания. Такой способ одновременно способствует и насыщению воды кислородом. Можно также перейти на замкнутое охлаждение – прудовое там, где позволяет местность или в градирнях.

Замкнутое прудовое охлаждение может быть организовано на ТЭС, находящихся в отдалении от больших населенных пунктов. Создается система прудов, точнее, озер, соединенных между собой протоками. В одно из этих озер спускают теплые воды, которые постепенно перетекают из озера в озеро, охлаждаясь при этом. Из последнего по пути воды озера ТЭС забирает воду для охлаждения. В такой системе прудов - озер тепло охлаждающей воды может быть использовано для разведения теплолюбивых рыб, обогрева теплиц и оранжерей и других полезных целей.

К сожалению на ТЭС, расположенных в больших городах и крупных населенных центрах, такой способ не осуществим, так как он требует значительных свободных площадей для организации прудов – озер. В этих ТЭС приходится переходить на замкнутые системы охлаждения при помощи градирен, т. е. специальных сооружений, наверх которых подается теплая вода, стекающая по насадке градирен вниз, в бассейн, расположенный под градирней. Теплая вода охлаждается встречным потоком воздуха.

Особый интерес представляют маслоохладители. В систему охлаждения включены не только конденсаторы турбин, но и ряд других аппаратов, которые хотя и требуют несравненно меньшего расхода охлаждающий воды, но способны эту воду загрязнять. К таким аппаратам относятся маслоохладители – трубчатые аппараты, которые в процессе эксплуатации могут пропускать некоторые количества масел в охлаждающую воду. Следствием этого является ее загрязнение нефтепродуктами, причем масла попадают в общей поток охлаждающей воды. Предложен ряд способов для устранения этого загрязнения: изменение конструкции маслоохладителей, выделение их в самостоятельную систему охлаждения, повышение давления охлаждающей воды и т. д. Наиболее часто применяется сооружение промежуточного водяного теплообменника, где существуют два контура: маслоохладитель – теплообменник и теплообменник – градирня – конденсатор. При этом маслами может загрязняться только малый контур, так как давление воды, охлаждающий маслоохладитель, выше давления в малом контуре.

4 Воды гидрозолоудаления

Системы гидравлического удаления золы и шлама на ТЭС, где топливом служит мазут, отсутствуют; эти системы организуются только на ТЭС, сжигающих твердое топливо.

На ТЭС мощностью 4000 МВт работающей, например, на углях Экибастурского месторождения, необходимо за 1 час удалить до 1300 т золы и шлака. Это количество имеет объем около 600 м³ ; следовательно, за год такая ТЭС была бы буквально погребена под слоем золы и шлака, общее количество которых превысило бы 5 млн м³ . При площади промплощадки в 0,6 км² слой золы за год достиг бы высоты примерно 8 м. Во избежании этого золу и шлак гидравлически транспортируют на золошлакоотвалы. Это осуществляется так: зола и шлак смываются из зольных бункеров мощным потоком воды и образовавшаяся пульпа (взвесь золы и шлака в воде) по пульпопроводам направляется на несколько километров от станции на золошлаковые поля. Там зола оседает, а освободившаяся от золы так называемая осветленная вода или сбрасывается в природные водоемы или возвращается обратно на ТЭС для выполнения той же работы.

К сожалению, еще в 1987 году только третья часть от общего числа систем гидрозолоудаления (ГЗУ) имела оборотное водопользование, а почти 60 % всех систем ГЗУ сбрасывали осветленную воду в природные водоемы, которые погибали, так как осветленные воды от многих топлив содержат крайне ядовитые вещества. Правда, теперь все вновь сооруженные электростанции будут иметь только оборотные системы ГЗУ. Планируется реконструировать на оборотные эти системы и на старых ТЭС. Однако было бы ошибочно предполагать, что оборотные системы ГЗУ полностью решают задачу охраны окружающей среды от вредного воздействия золы и шлака.

Во-первых, огромны размеры золошлаковых полей. В среднем на 1000 МВт требуется золоотвал площадью 300 га. Для станции взятой нами в пример размеры этих золошлаковых полей составят 1200 га, т.е. около 12 км² . Но и такие “латифундии” могут служить не более 15 ¸ 20 лет. За этот срок ТЭС выбросит около 100 млн. м³ золы, которая покроет золоотвалы слоем до 8 ¸ 10 м. Следовательно, через некоторое время приходится находить новое место для складирования золы и шлака, а пространство, заваленное этими отходами рекулитивировать. С этой целью законом предписано производить засыпку золы и шлака слоем почвы, которая предварительно удаляется с площадки, отводимой под золоотвал. По этой засыпке должна быть посеяна трава и затем посажены кустарниковые растения. Лишь спустя ряд лет такие рекультивированные золоотвалы смогут вписаться в нормальный ландшафт.

Количество воды, требующееся для смыва и гидротранспортировки золы и шлака, примерно в 10 раз превышает массовое их количество. Для нашего примера это составит 13 тыс м³ /час. В оборотных системах ГЗУ это количество воды будет циркулировать, смывая и перенося все новые порции золы и шлака. При этом вода будет выщелачивать, растворять те компоненты золы, которые обладают заметной растворимостью. Каков же будет состав этой циркулирующей в системе гидрозолоудаления воды? Очевидно, этот состав будет зависеть от свойств топлива. Исследование показало, что все твердые топлива можно условно разбить на четыре группы. К первой относятся сланцы, торф и ряд углей восточных месторождений. Оборотные воды ГЗУ, где сжигаются эти топлива, представляют собой насыщенный раствор Ca(OH)₂ . Значение рН осветленной воды на таких оборотных системах ГЗУ достигает 13, а общая щелочность 40 мг-экв/л. вторая группа топлив, к которым относятся, в частности, угли Донецкого бассейна и некоторые угли Кузбаса, дает воды насыщенные сернокислым кальцием. Растворимость этой соли около 2 г/л, считая на CaSO₄ . К третьей группе надо отнести такие топлива, осветленная вода ГЗУ которых содержит и сернокислый кальций и щелочь, т.е. насыщена и CaSO₄ и Ca(OH)₂ .

Зола углей Экибастурского месторождения (четвертая группа топлив) не содержит легко растворимых веществ, вследствие чего воды ГЗУ на таких ТЭС мало минерализованы. Но все без исключения топлива содержат фториды, ванадий, мышьяк, а некоторые даже ртуть, бериллий, германий и другие элементы. Поэтому осветленные воды ГЗУ практически всегда содержат ионы фтора и соединения других, перечисленных выше элементов. Концентрация фтора во многих водах оборотного ГЗУ достигает
50 ¸ 70 мг/л. Содержание мышьяка составляет примерно 0,5 ¸ 1 мг/л. Такова же в большинстве случаев концентрация соединений ванадия.

Существенным обстоятельством является то, что далеко не всегда удается сбалансировать водный режим систем ГЗУ. В них поступают атмосферные осадки, которые во многих районах нашей страны не полностью компенсируются испарением с золоотвала. Часто в систему ГЗУ сбрасывают и другие стоки, например нефтезагрязненные воды, отработавшие растворы после химических очисток и консерваций оборудования и т.д. Часть воды остается связанной компонентами золы; например, сернокислый кальций превращается в гипс, поглощая на молекулу CaSO₄ две молекулы Н₂ О. Окись кальция и некоторые другие окислы гидратируются. Вода с рядом солей образует кристаллогидраты. Часть воды заполняет поры между частицами золы. Эти процессы могут быть изображены реакциями:

CaSO₄ + 2 H₂ O ® CaSO₄ ×2H₂ O

CaO + H₂ O ® Ca(OH)₂

MgO + H₂ O ® Mg(OH)₂

SiO₂ + n H₂ O ® SiO₂ ×n H₂ O

Наряду с этим имеются факторы, приводящие к увеличению воды в системах ГЗУ. Значительное количество мелкой золы уносится потоком отходящих топочных газов. Одним из эффективных способов улавливания этой летучей золы является промывание газов водой в так называемых мокрых газоочистителях. Орошение этих систем далеко не всегда возможно осветленной водой, возвращаемой с золоотвала, так как эта вода бывает насыщена Ca(OH)₂ и CaSO₄ . При контакте такой воды с дымовыми газами, содержащими СО₂ и окислы серы, на стенках мокрых газоочистителей (скрубберов) и в соплах орошающей системы образуются малорастворимые соли, которые нарушают нормальную работу этих систем. Вследствие этого для орошения аппаратуры мокрой очистки газов приходится применять свежую воду, количества которой довольно значительны. Все эти причины и приводят к необходимости сбрасывать из систем ГЗУ от 200 до 400 м³ воды/час. Поскольку эта вода содержит ряд токсичных веществ, ее приходится подвергать обезвреживанию и лишь после очистки либо сбрасывать, либо использовать в системе ТЭС.

Способы и технология обезвреживания сбросных вод ГЗУ в настоящее время разрабатываются. На одной электростанции Свердловской энергосистемы сооружена промышленная установка, действующая по принципу коагуляции. В очищаемой воде создаются хлопья гидроокиси алюминия за счет реакции

Al₂ (SO₄ )₃ + 6 NaOH ® 2 Al(OH)₃ + 3 Na₂ SO₄

Образующаяся гидроокись осаждает фтор, мышьяк и ванадий.

Обезвреживание организованного сброса из систем ГЗУ, к сожалению, не полностью устраняет вредное воздействие этих вод на природные источники воды. Кроме организованного сброса, существуют неорганизованные утечки через дамбу, ограждающую золоотвал, и в грунт через его ложе. Решение этой проблемы очень сложное и дорогое, так как надо выстилать ложе золоотвала непроницаемыми для воды материалами.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--